23HH5900, Development of 5G mobile fronthaul transport technology,
Sun Hyok Chang
Abstract
□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 o 5G+ 기지국 고도화를 위한 20km 프론트홀 광링크 적용 50Gbps급 전송 기술 개발 - 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 기술 - 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 기술 - 프론트홀 인터페이스 카드 및 시스템 연동 기술
◼ 전체 내용 o 핵심 연구 내용 - 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 기술 • 클라이언트 이종 신호 수용 기술 • 디지털 프레임을 이용한 50Gbps급 신호 매핑/디매핑 기술 • 광전송 성능 열화 보상 및 저지연 고효율 오류정정 기술 • 50Gbps급 PAM4 정합 인터페이스 기술 - 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 기술 • 50Gbps급 O-band 파장 가변 LD 칩 기술 • 50Gbps급 PAM4 광송수신 모듈 기술 • 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 설계 및 구현 기술 - 프론트홀 인터페이스 카드 및 시스템 연동 기술 • 프론트홀 광전송 정합 기술 • 200Gbps급 프론트홀 인터페이스 카드 기술 • 5G+ 프론트홀 시스템 연동을 위한 제어 관리 기술 o 주요 기능(또는 규격) - 프론트홀 인터페이스 카드 및 프론트홀 시스템 • 클라이언트 신호 (CPRI, eCPRI, Ethernet) 수용 기능 • 채널당 50Gbps급 디지털 신호 매핑 및 처리 기능 • 저지연 고효율 채널 코딩 및 오류정정 기능 • 50Gbps급 초고속 데이터 병렬 처리 및 인터페이스 기능 • 200Gbps급 인터페이스 라인카드 제어 관리 기능 - 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 • 50Gbps급 PAM4 광신호 송수신 기능 • 50Gbps급 파장 채널 가변 및 제어 기능 • O-band 파장 가변 LD 출력 생성 기능 • 펌웨어 기반 관리 및 제어 기능 o 주요 성능치 - 프론트홀 광링크 파장당 전송용량: 50 Gbps - 프론트홀 광링크 전송 거리(@50Gbps): 20 km - 접속 클라이언트 신호: CPRI Option 3/7/8/10, eCPRI 10/25 Gbps, Ethernet 10/25 Gbps - 양방향 프론트홀 인터페이스 카드 처리 용량: 200 Gbps - 프론트홀 광트랜시버 전송 속도: 50 Gbps - 프론트홀 광트랜시버 가변 파장 채널 수(@50Gbps, O-band): 8 채널 - O-band 파장 가변 LD 변조 대역폭: 25 GHz 이상 - O-band 파장 가변 LD 가변 대역폭: 6 nm 이상 o End product - 5G+ 모바일 프론트홀 시스템 (HW) (TRL7) - 200Gbps급 프론트홀 인터페이스 카드 (HW) (TRL7) - 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 FPGA 구현 HDL (SW) (TRL7) - 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 (HW(모듈)) (TRL7) - 50Gbps급 O-band 파장 가변 LD (HW(칩)) (TRL7)
□ 연구개발성과 ◾ 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 • 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 기술 구현 및 검증 - 다양한 클라이언트 이종 신호 수용 기능: CPRI option 3/7/8/10, eCPRI 10Gbps, 25Gbps, Ethernet 10Gbps, 25Gbps - 50GbE 디지털 프레임 신호 생성 및 변환을 위한 디지털 신호처리 로직 설계 및 구현 - 양방향 400Gbps 처리 용량을 지원하는 프론트홀 디지털 신호처리 시스템 통합, 구현 및 검증: 25.78125 Gbps x 8 + 53.125 Gbps x 4 - 프론트홀 네트워크의 20km 광링크, 100ps/nm 이상의 색분산 환경에서 error-free 성능을 보장하는 디지털 신호처리 기술 확보 • 50Gbps급 저지연 고효율 오류 정정 기술 개발 - 열화된 채널 환경을 극복할 수 있는 25Gbps RS-FEC, 50Gbps RS-FEC 구현 및 IP 개발 - 체계적 생성 행렬을 이용하여 고속 처리 가능한 병렬 구조의 오류정정 부호와 블록 설계 - 연접 구조를 이용하여 높은 부호화 이득을 갖는 오류정정 기능 구현: RS-FEC (544,514) 대비 ~1dB 이득 향상 - 가변적 부호화 및 신드롬 계산 블록 설계에 용이한 구조 설계 - 병렬 구조의 오류정정 부호화 블록 구현으로 지연 시간 단축 (225nsec@332MHz) ◾ 200Gbps급 프론트홀 인터페이스 카드 • 200Gbps급 프론트홀 인터페이스 카드 개발 완료 - 4G LTE 망의 CPRI Option 3/7/8/10 신호와 5G 망의 eCPRI 10 & 25 Gbps 신호를 모두 수용 - CPRI 및 Ethernet 클라이언트 인터페이스 신호를 새로운 패킷 전송 기술 기반의 RoE 프로토콜 신호로 전송함으로써 전송 효율을 높임 - 50Gbps x 8채널 WDM 방식, 50Gbps 파장가변 광트랜시버를 적용하여, 프론트홀 전송 용량 증대 요구를 만족 - 이종신호 수용 네트워크 스위치 기능과 신호처리 기능의 분리형 보드 구조 채택으로 개발 소요 시간 단축 - 5G+ 이동통신 클럭 정밀도 지원을 위한 PTP/SyncE 지원 ◾ 50Gbps 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 • 세계 최초의 50Gbps 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 개발 - 본 과제에서 개발한 O-band 파장 가변 LD 칩 적용 - 50/25/10 Gbps Multi-rate 동작 - 세계 최고 수준의 8개 파장의 안정적인 구동 및 파장 가변을 구현 - RF 설계 최적화를 통하여 수신감도 –17dBm, TDECQ 1.8 dB 이하의 우수한 성능 달성 • 공인인증 시험 완료 (신뢰성 시험 포함) - 가변 채널 수: 8개 (1283.367~1289.158nm) - 레이저 변조속도: 26.5626 GBaud PAM4 - 수신감도: 2.77x10-6 @10km, 3.55x10-6 @20km (-17dBm, 2.4x10-4 기준) - Aging test (2000hr, Accelerated aging): 정상 - Mechanical shock test (Shock level 500G, 5회 x 6 방향): 정상 ◾ O-band 파장 가변 LD 칩 • 세계 최고 수준의 단일 집적형 파장가변 LD칩 제작 - 세계 최고 수준의 통신용 광원 칩 핵심기술 확보 - 50Gbps 이상의 변조기 구현 기술, O-band내 8채널 이상의 파장 가변 범위 구현 기술 확보 - 다기능 구성의 단일집적 칩 구현, 고효율 광결합용 모드크기 변환 구성, 열고립 도파로 구현으로 저전력 동작 - 50Gbps 파장 가변 광트랜시버에 적용하여 우수한 성능 및 신뢰성 확인 • 공인인증 시험 완료 - 광출력: 15.2mW (목표치 초과) - 파장가변 범위: 14.9nm (목표치 초과) - 변조 대역폭: 39 GHz (목표치 초과) ◾ 5G+ 모바일 프론트홀 시스템 • 5G+ 모바일 프론트홀 시스템 구현 - 200Gbps급 프론트홀 인터페이스 카드 이용하여 프론트홀 시스템 운용 관리 및 제어 구현 - 5G 망에서 요구되는 다양한 서비스의 실현을 위해 RoE, eCPRI 등의 새로운 패킷 기반의 인터페이스를 지원 - 네트워크 운용자에게 네트워크 및 링크 상태 모니터링을 위한 OAM 기능지원 - IEEE1588 표준에 정의된 PTP/SyncE 지원 • 공인인증 시험 완료 - 프론트홀 광링크 파장당 전송 용량: 50 Gbps - 프론트홀 광링크 전송 거리: 20 km 이상 - 디지털 신호 처리 허용 색분산: 100 ps/nm 이상 - 클라이언트 신호 수용: CPRI option 3/7/8/10, eCPRI 10/25 Gbps, Ethernet 10/25 Gbps - 인터페이스 카드 처리 용량: 양방향 처리 용량 200 Gbps • 5G NR 테스트베드 연동 시험 및 평가 - 5G NR DU/RU 테스트베드를 이용한 end-to end 통합 연동 시험을 통해 시스템 클럭 타이밍 및 동기화 성능 검증 - 시스템 Downlink/Uplink Throughput 측정 및 성능 확인 - 5G NR 상용망 장비 환경인 SK텔레콤의 액세스 테스트베드와의 연동 시험을 수행하여, 모바일 프론트홀 시스템의 성능, 품질 안정성 확인 ◾ 연구개발 종합 성과 • 50Gbps급 프론트홀 전송 핵심 기술 개발 - 패킷 전송 기술 (RoE, eCPRI) 기반의 프론트홀 전송 시스템 - 파장 당 50Gbps의 8 x 50Gbps WDM 방식의 프론트홀 전송 기술 개발 - 프론트홀 용량 확장(10/25Gbps → 50Gbps) 수요를 충족시키고, 프론트홀 전송 효율 및 개방형 프론트홀 인터페이스에 대비 • 세계 최초의 50Gbps 기반 프론트홀 전송 시스템 개발 - 차세대 프론트홀 전송 기술 파장당 50Gbps 기반으로 개발 - 프론트홀 전송 효율 문제 해결 . 4G CPRI 및 5G/5G+ eCPRI의 다양한 프론트홀 신호 접속 및 전송 . 패킷 전송 기술 기반의 다양한 망토폴로지 지원 - 광부품 (파장가변 LD 및 광트랜시버) 기술 및 50Gbps 디지털 신호 처리 기술을 시스템에 통합 • 최종 결과물 - 5G+모바일 프론트홀 시스템 (HW) - 200Gbps급 프론트홀 인터페이스 카드 (HW) - 50Gbps급 프론트홀 디지털 신호 처리 FPGA 구현 HDL (SW) - 50Gbps급 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버 (HW(모듈)) - 50Gbps급 O-band 파장 가변 LD (HW(칩)) • 정량적 성과 - 국제 특허 출원 6건 및 등록 2건, 국내 특허 출원 16건 및 등록 3건 - SCIE 논문 4편 게재, 비SCIE 논문 1편 게재, 학술회의 논문 16편 발표 - 기술이전 4건, 165백만원 - SW 등록 7건 - 시제품 제작 17건 - 성과홍보 5건 - 기술문서 130건
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 o (직접 활용 분야) 본 과제의 결과물은 디지털 신호 처리 기술을 포함한 프론트홀 인터페이스 라인 카드 및 50Gbps 프론트홀용 파장 가변 광트랜시버로서 프론트홀 시스템 장비에 장착되어 활용 - 5G+ 이동통신 프론트홀(fronthaul) 장비에 활용 - 5G+ 이동통신 백홀(backhaul) 장비에 활용 o (적용 분야, Use cases) - 본 기술 개발의 결과물은 RU와 DU 간의 신호 전송을 위한 50Gbps급 광트랜시버 및 클라이언트 이종 신호 수용 디지털 신호 처리 기술이 적용된 인터페이스 라인 카드이며, 이를 적용한 5G+ 프론트홀 전송 시스템에 해당됨 - 개발 결과물이 적용된 프론트홀 네트워크 구성은 아래와 같으며, 아래 구성의 복합적인 구성도 지원 가능. ① RU와 DU 사이의 광선로 직접 연결: RU와 DU에 직접 50Gbps급 광트랜시버 적용 ② 선형 토폴로지에서 RU와 DU 사이의 복합형 WDM 연결: 5G+ 모바일 프론트홀 시스템에서 다수 개의 이종 클라이언트 신호 수용 후 파장 당 50Gbps급 광트랜시버 적용 ③ 선형 토폴로지에서 RU와 DU 사이의 점대점 WDM 연결: RU와 DU에 직접 50Gbps급 광트랜시버 적용 ④ 링형 토폴로지에서 RU와 DU 사이의 복합형 WDM 연결: 5G+ 모바일 프론트홀 시스템에서 다수 개의 이종 클라이언트 신호 수용 후 파장 당 50Gbps급 광트랜시버 적용 ⑤ 링형 토폴로지에서 RU와 DU 사이의 점대점 WDM 연결: RU와 DU에 직접 50Gbps급 광트랜시버 적용 o (수요처) - SKT, KT, LGU+의 무선통신 사업자 - Verizon, 후지쯔 등의 국외 장비 업체 - HFR, SOLID등 프론트홀, 백홀 장비 업체 - 삼성, 노키아, 화웨이 등 RU/DU 장비 업체 o (기대 효과) - 5G+ 프론트홀 전송 용량 한계를 해결하기 위한 50Gbps 기반의 전송 기술 확보 - 5G+ 프론트홀 전송 효율을 향상시키기 위한 50Gbps 기반의 디지털 신호 처리 기술 확보 - 50Gbps급 광트랜시버 및 광부품 핵심기술 국산화 - 초광대역 5G+ 서비스의 원활한 제공과 품질 향상으로 5G 서비스 가입자 지속적인 증가 기반을 만들고, UHD, VR/AR, 5G-V2X등과 같은 5G+ 서비스 이용이 증가할 전망
(출처 : 요약문 8p)
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J. Kim et. al, "Trends in Lightweight Kernel for Many core Based High-Performance Computing", Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 32, No. 4, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
J. Sim et.al, “the Fourth Industrial Revolution and ICT – IDX Strategy for leading the Fourth Industrial Revolution”, ETRI Insight, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
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